(57)【要約】 【課題】  燃料電池において電解質層が水素分離膜から剥落しにくくなる技術を提供する。【解決手段】  燃料電池であって、水素を含む燃料ガスを通す燃料ガス流路３２から燃料ガスを供給される水素極１２０と、酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス流路２２から酸化ガスを供給される酸素極１３０と、水素極１２０と酸素極１３０との間に位置し水素イオンを透過する電解質層１１０と、電解質層１１０と燃料ガス流路３２との間に位置し水素を選択的に透過する水素分離膜１２０と、電解質層１１０の外力による変形量を低減する剛性向上部材１４０と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスを通す燃料ガス流路から前記燃料ガスを供給され、水素を選択的に透過する水素極と、
酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス流路から前記酸化ガスを供給される酸素極と、
前記水素極と前記酸素極との間に位置し、前記水素極および前記酸素極と直接または間接に接合され、水素イオンを透過する電解質層と、
前記電解質層の外力による変形量を低減する剛性向上部材と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材は、
前記酸素極と前記電解質層との間に位置し、  
直接または間接に前記電解質層の一部を被覆するように設けられる、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材は、
前記酸素極と前記電解質層との間において格子状に設けられる、燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材は、
前記酸化ガス流路と前記酸素極との間に位置し、  
間接的に前記電解質層の一部を被覆し、前記酸素極の少なくとも一部を前記酸化ガス流路に露出する構成で設けられる、燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材は、
前記酸化ガス流路と前記酸素極との間に位置し、  
互いに連通する空隙を有する層である、燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材は、
前記電解質層内に存在するガラス繊維である、燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質層は、
前記酸素極から前記水素極に向かう方向に対して垂直な平面内で並び、それぞれ水素イオンを透過する複数の水素イオン透過部材を含み、
前記剛性向上部材の少なくとも一部は、
前記水素極と前記酸素極との間であって、かつ、前記複数の水素イオン透過部材の間に、一体で設けられる、燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記剛性向上部材の他の一部は、前記電解質層に対して前記酸素極側において、前記水素イオン透過部材の一部を被覆するように設けられる、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素分離膜式の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池が発電手段として注目されている。そのような燃料電池として、プロトン伝導型の電解質層を備えた燃料電池がある。たとえば、特許文献１には、プロトン伝導型の電解質層（電解質膜）に対して水素を選択的に供給することができる水素分離膜を備えた水素分離膜式燃料電池が開示されている。このような燃料電池においては、プロトン伝導型の電解質層は、水素分離膜として機能する水素透過性金属層の上に密着して形成される。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【０００４】
水素透過性金属は、水素を透過する際に膨張する。また、熱による膨張比は、電解質層と水素透過性金属とで異なっている。このため、水素分離膜式燃料電池においては、このような膨張比の違いのために電解質層と水素透過性金属とが反り、電解質層にひびが入って、電解質層の一部が水素分離膜上から剥落する可能性があった。
【０００５】
電解質層の上に形成された電極層とともに電解質層が剥落すると、水素分離膜が酸素極側の酸素流路に対して露出する。その結果、水素分離膜を通過した水素が直接、酸素流路を通る酸素と反応してしまい、発電が起こらなくなってしまう。また、導電物質のゴミが付着して、水素極側の水素分離膜と酸素極とが短絡してしまう可能性もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池において、環境変化が生じても電解質層が他の構成部材から剥落しにくくなる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、一態様として燃料電池を以下のような構成とする。この燃料電池は、水素を含む燃料ガスを通す燃料ガス流路から燃料ガスを供給され、水素を選択的に透過する水素極と、酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス流路から酸化ガスを供給される酸素極と、水素極と酸素極との間に位置し、水素極および酸素極と直接または間接に接合され、水素イオンを透過する電解質層と、電解質層の外力による変形量を低減する剛性向上部材と、を備える。
【０００８】
このような態様においては、剛性向上部材によって電解質層の変形が低減されるため、電解質層に力がはたらいても電解質層が破壊されにくい。よって、電解質層が他の構成部材から剥落しにくくなる。
【０００９】
なお、剛性向上部材は、酸素極と電解質層との間に位置し、直接または間接に電解質層の一部を被覆するように設けられることが好ましい。このような態様とすれば、水素極から酸素極に向かう水素イオンの透過を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。
【００１０】
また、剛性向上部材が、酸素極と電解質層との間において格子状に設けられている態様とすることもできる。このような態様とすれば、体積の小さい剛性向上部材で、効率的に電解質層の変形量を低減することができる。
【００１１】
なお、剛性向上部材が、酸化ガス流路と酸素極との間に位置し、間接的に電解質層の一部を被覆し、酸素極の少なくとも一部を酸化ガス流路に露出する構成で設けられる態様とすることもできる。このような態様とすれば、酸化ガスの酸素極との接触を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。
【００１２】
また、剛性向上部材が、酸化ガス流路と酸素極との間に位置し、互いに連通する空隙を有する層である態様とすることもできる。このような態様としても、酸化ガスの酸素極との接触を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。
【００１３】
なお、剛性向上部材は、電解質層内に存在するガラス繊維とすることもできる。このような態様としても、電解質層の変形量を低減して、電解質層の剥落を防止することができる。
【００１４】
また、電解質層が、酸素極から水素極に向かう方向に対して垂直な平面内で並び、それぞれ水素イオンを透過する複数の水素イオン透過部材を含む態様とすることができる。そのような態様において、剛性向上部材の少なくとも一部が、水素極と酸素極との間であって、かつ、複数の水素イオン透過部材の間に、一体で設けられていることが好ましい。このような態様においては、複数の水素イオン透過部材によってイオン透過性を確保しつつ、電解質層にかかる力が電解質層の一カ所に集中して電解質層が破壊されてしまう事態を抑制することができる。
【００１５】
なお、剛性向上部材の他の一部が、電解質層に対して酸素極側において、水素イオン透過部材の一部を被覆するような態様とすることもできる。そのような態様においては、電解質層は、剛性向上部材によって一部を被覆されて保持される。このため、電解質層にひびが入っても、電解質層が剥落しにくい。
【００１６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池用の電解質層や積層構造体の形成方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の燃料電池に使用される積層構造体１００ａ（単位セル）を示す断面図である。積層構造体１００ａは、酸素ガス流路２２を有する酸素流路部材２０と、燃料ガス流路３２を有する水素流路部材３０と、を有している。酸素流路部材２０と水素流路部材３０の間には、水素流路部材３０側から酸素流路部材２０に向かって順に水素分離膜１２０、電解質層１１０、酸素極１３０、梁部１４０が形成されている。なお、これら水素分離膜１２０、電解質層１１０、酸素極１３０、梁部１４０をまとめて積層構造体１００ａと呼ぶ。水素流路部材３０側から酸素流路部材２０に向かう方向に対して垂直な面におけるこの積層構造体１００ａの断面形状は、長方形である。なお、この積層構造体１００ａは、セパレータを兼ねる酸素流路部材２０と水素流路部材３０とによって挟まれて、全体で燃料電池の一つのセルを構成する。
【００１８】
酸素流路部材２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されている。この酸素流路部材２０は、溝部２１を有しており、その溝部２１により酸素ガス流路２２を構成している。梁部１４０は酸素極１３０上に格子状に形成されている。そして、酸素極１３０の表面であって梁部１４０が形成されていない部分１３１は、酸素ガス流路２２に対して露出している。このため、酸素ガス流路２２内を流通する酸素含有ガスは、電解質層１１０の表面と接触する。第１実施例では、酸素含有ガスは空気である。
【００１９】
水素流路部材３０も、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されている。この水素流路部材３０は溝部３１を有しており、その溝部３１により燃料ガス流路３２を構成している。この燃料ガス流路３２内を流通する水素含有ガスは、積層構造体１００ａの水素分離膜１２０と接触する。本明細書においては、この水素含有ガスを「燃料ガス」とも言う。燃料ガス中の水素は、水素分離膜１２０側から酸素極１３０側に向かって積層構造体１００ａを透過し、酸素極１３０側において酸素含有ガス中の酸素と反応する。なお、酸素流路部材２０と水素流路部材３０とは、ステンレス鋼以外の素材で形成してもよく、酸素流路部材２０と水素流路部材３０に機密性を持たせることができる任意の素材で形成することができる。
【００２０】
水素分離膜１２０は、厚さ約４０μｍでパラジウム（Ｐｄ）で形成されている。この水素分離膜１２０は、水素含有ガス中の水素を選択的に透過する。この水素分離膜１２０は、水素極としても機能する。燃料電池の運転中は、電子は、図示しない電気回路を通って水素極（水素分離膜１２０）から酸素極１３０に移動する。なお、水素分離膜１２０は、パラジウムのほか、パラジウム合金などの貴金属や、ＶＡ族元素、たとえばバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等で形成することもできる。
【００２１】
なお、ある素材が「水素を透過する」または「水素透過可能である」か否かは、その素材を１．０μｍの厚みで形成した場合に、７００℃下で水素透過係数が１．０×１０-10（ｍｏｌ／ｍ・ｓ・Ｐａ1/2）よりも大きいか否かによって判定することができる。なお、酸化防止部１２２の素材は、１．０μｍの厚みで形成した場合に、７００℃下で水素透過係数が１．０×１０-9（ｍｏｌ／ｍ・ｓ・Ｐａ1/2）よりも大きくなる素材とすることがより好ましい。以下で燃料電池の各部に用いられる、「水素を透過する」または「水素透過可能である」素材についても同様である。
【００２２】
電解質層１１０は、酸素極１３０と水素分離膜１２０との間に形成されており、酸素極１３０および水素分離膜１２０と接合されている。電解質層１１０の厚みは、０．１〜１．０μｍとすることができる。この電解質層１１０は、ペロブスカイト型プロトン伝導体化合物であるＢａＣｅＯ3系のセラミックで形成されている。ペロブスカイト型プロトン伝導体化合物は、格子間酸素の欠損への酸素原子導入が起きた状態でプロトン伝導性を有する。
【００２３】
なお、電解質層１１０は、ＳｒＣｅＯ3系、ＳｒＺｒＯ3系、ＣａＺｒＯ3系のセラミックや、パイロクロア型プロトン伝導体化合物、例えば、Ｇｄ2Ｔｉ2Ｏ7系、Ｌａ2Ｚｒ2Ｏ7系のセラミックなどで形成することもできる。すなわち、電解質層１１０は、プロトン伝導性を有する固体酸化物で形成することができる。
【００２４】
酸素極１３０は、電解質層１１０上に白金（Ｐｔ）で形成されている層である。酸素極１３０の厚みは、約０．１μｍである。なお、酸素極１３０の材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
【００２５】
図２は、積層構造体１００ａの一部を示す斜視図である。図２においては、上側が酸素流路部材２０が取り付けられる側であり、下側が水素流路部材３０が取り付けられる側である（図１参照）。なお、図示された各構造の厚みは、実際の厚みを反映するものではない。
【００２６】
図２および図１に示すように、梁部１４０は、酸素極１３０上に格子状に形成されている。第１実施例においては、梁部１４０は、チタン（Ｔｉ）で形成されており、厚みは約０．１μｍである。また、格子を構成する各梁の幅は約１μｍである。そして、図示されていないが、縦横に並行する各梁の中心同士の間隔は、縦横とも約５μｍである。この梁部１４０は、チタンのほか、チタン合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成することができる。そして、梁部１４０の寸法および厚さは、水素分離膜１２０、電解質層１１０の材質および厚さ、ならびに水素分離膜１２０、電解質層１１０および梁部１４０の材質に応じて定めることができる。
【００２７】
なお、図１に示すように、梁部１４０は、酸素極１３０上面の最外周部１３２には設けられない。一方、酸素流路部材２０の最外周の壁部２３は、溝部２１と溝部２１を分ける壁部２４に比べて高く設けられている。その結果、最外周の壁部２３が酸素極１３０の表面の外周部１３２と密着し、酸素ガス流路２２の外部に対する気密性が保たれる。よって、酸素流路部材２０から酸素含有ガスが漏れだすことはない。なお、複数の酸素ガス流路２２同士については、酸素含有ガスが互いに流通しても問題はない。
【００２８】
このような構成を有する積層構造体１００ａは、以下のようにして製造することができる。まず、厚さ約４０μｍの水素分離膜１２０を準備する。この水素分離膜１２０は、あらかじめ気相成長法で形成してもよいし、他の手法で生成してもよい。
【００２９】
その後、水素分離膜１２０の上から、電解質層１１０を形成する。電解質層１１０を形成する際の膜材料は、セラミック（ＢａＣｅＯ3系のペロブスカイト型プロトン伝導体化合物）である。そして、レーザーアブレーションにより製膜を行う。「レーザーアブレーション」とは、紫外域のレーザ光により蒸着原料を蒸気化し、この蒸気を部材上に堆積させて薄膜を形成する方法である。なお、電解質層１１０の形成は、他の化学的気相成長法、または物理的気相成長法により行ってもよい。
【００３０】
そして、電解質層１１０の上から、スパッタリングにより酸素極１３０を生成する。その後、梁部１４０が格子状になるようにマスキングを行って、イオンプレーティングにより酸素極１３０上に梁部１４０を形成する。なお、梁部１４０の形成は、スパッタリングなど他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。また、酸素極１３０の形成も、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
【００３１】
このような積層構造体１００ａを有する燃料電池は、たとえば、７００℃以上の高温で運転される。熱膨張比が異なる電解質層１１０と水素分離膜１２０が温度変化に伴って異なる比率で膨張または収縮しようとすると、電解質層１１０と水素分離膜１２０の接合面において積層構造体１００ａを反り返らせようとする力がはたらく。積層構造体１００ａが大きく反ると、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０およびその上に形成された酸素極１３０が剥落してしまうおそれがある。電解質層１１０と水素分離膜１２０に水素を透過させた場合についても同様である。しかし、積層構造体１００ａは梁部１４０を有するため、その反りの変形量は梁部１４０によって抑制される。その結果、電解質層１１０にひびが入って、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施例：
図３は、第２実施例の積層構造体１００ｂの斜視図である。図３においては、梁部１４０の形状を明らかに示すために、酸素極１３０を破線で示している。第２実施例の積層構造体１００ｂは、電解質層１１０と酸素極１３０の間に梁部１４０を有している。酸素極１３０は、電解質層１１０と梁部１４０とを覆うように形成されており、図示するように、内部に梁部１４０を含んでいる。酸素極１３０の厚さは約０．５μｍである。第２実施例の積層構造体１００ｂの他の点は、第１実施例の積層構造体１００ａと同じである。なお、酸素極１３０の厚さは、梁部１４０の厚さより厚い任意の寸法とすることができる。
【００３３】
このような構成を有する積層構造体１００ｂは、以下のようにして製造することができる。まず、第１実施例の積層構造体１００ａを製造する場合と同様にして、水素分離膜１２０および電解質層１１０を形成する。
【００３４】
そして、梁部１４０が格子状になるようにマスキングを行って、イオンプレーティングにより電解質層１１０上に梁部１４０を形成する。なお、梁部１４０の形成は、スパッタリングなど他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。その後、スパッタリングにより、電解質層１１０および梁部１４０の上から梁部１４０を覆うようにして酸素極１３０を生成する。
【００３５】
第２実施例のような構成としても、積層構造体１００ｂの反りの変形量は梁部１４０によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００３６】
Ｃ．第３実施例：
図４は、第３実施例の積層構造体１００ｃの斜視図である。第３実施例の積層構造体１００ｂは、酸素極１３０の上面（酸素流路部材２０が設けられる側）に、互いに連通している空隙を含みニッケル（Ｎｉ）で構成される強化層１５０を有する。この強化層の厚さは、約１μｍである。また、第３実施例の積層構造体１００ｃは、梁部１４０（図２および図３参照）を有していない。第３実施例の積層構造体１００ｃの他の点は、第１実施例の積層構造体１００ａと同じである。なお、強化層１５０の厚さは、強化層１５０の素材および構成に応じて任意の寸法とすることができる。
【００３７】
このような構成を有する積層構造体１００ｃは、以下のようにして製造することができる。まず、第１実施例の積層構造体１００ａを製造する場合と同様にして、水素分離膜１２０、電解質層１１０および酸素極１３０を形成する。
【００３８】
その後、所定の粒径を有するニッケルの粒をスパッタリングにより酸素極１３０上に積層させ、強化層１５０を形成する。なお、強化層１５０は、泡が互いに連通している発泡金属のシートまたは板を、酸素極１３０上に貼付することにより形成してもよい。強化層１５０は、焼結体や発泡金属などの、互いに連通している所定の空隙を有する素材で構成することができる。
【００３９】
第３実施例のような構成としても、積層構造体１００ｃの反りの変形量は強化層１５０によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００４０】
また、強化層１５０は、互いに連通している空隙を有している。このため、酸素ガス流路２２（図１参照）を通る酸素は、強化層１５０の空隙を通過して、酸素極１３０と接触することができる。すなわち、燃料電池を運転する際に、酸素極１３０における反応が妨げられない。
【００４１】
Ｄ．第４実施例：
図５は、第４実施例の積層構造体１００ｄの斜視図である。引き出し線で示した部分は、電解質層１１０の一部を各層に平行な面で切断して拡大した拡大図である。第４実施例の積層構造体１００ｄは、電解質層１１０内にガラス繊維１１１を含んでいる。また、第４実施例の積層構造体１００ｄは、梁部１４０（図２および図３参照）を有していない。第４実施例の積層構造体１００ｄの他の点は、第１実施例の積層構造体１００ａと同じである。
【００４２】
このような構成を有する積層構造体１００ｄは、以下のようにして製造することができる。まず、第１実施例の積層構造体１００ａを製造する場合と同様にして、水素分離膜１２０を準備する。
【００４３】
そして、数回に分けてスパッタリングにより電解質層１１０を形成する。各スパッタリングの間に、形成途中の電解質層１１０の表面にガラス繊維１１１を散布する。そして、散布されたガラス繊維１１１の上からさらにスパッタリングにより電解質層１１０を形成する。この手順を数回繰り返す。その後、完成した電解質層１１０の上からプラチナをスパッタリングして、酸素極１３０を生成する。
【００４４】
第４実施例のような構成とすると、積層構造体１００ｄの反りの変形量は、電解質層１１０内のガラス繊維１１１によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００４５】
また、従来の燃料電池においては、電解質層にひびが入り、そのひびによって電解質層の一部が囲まれると、ひびに囲まれた部分が積層構造体から剥落していた。しかし、第４実施例の電解質層１１０においては、ひびＣｒに囲まれた部分１１０ｃができても、図５に示すように、その部分１１０ｃは周囲とガラス繊維１１１でつなぎ止められる。このため、電解質層１１０が剥落しにくい。
【００４６】
Ｅ．第５実施例：
図６は、第５実施例の積層構造体１００ｅの斜視図である。図６においては、梁部１７０および電解質ブロック１１２の形状を明らかに示すために、酸素極１３０を破線で示している。第５実施例の積層構造体１００ｅは、水素分離膜１２０と電解質層１１０の間に絶縁層１６０を有している。そして、電解質層１１０は複数の電解質ブロック１１２で構成されており、各電解質ブロック１１２の間には、梁部１７０が形成されている。電解質ブロック１１２および梁部１７０の上には、酸素極１３０が設けられている。第５実施例の積層構造体１００ｅの他の点は、第１実施例の積層構造体１００ａと同じである。
【００４７】
絶縁層１６０は、厚さが約０．１μｍであり、酸化タングステン（ＷＯ3）で構成されている。この絶縁層１６０は、他の金属の酸化物など、絶縁性を有する任意の素材で構成することができる。そして、絶縁層１６０は任意の厚みで設けることができる。
【００４８】
図６に示すように、梁部１７０は、絶縁層１６０上に格子状に形成されている。第５実施例においては、梁部１７０は、ステンレス合金（ＳＵＳ）で設けられており、厚みは約４０μｍである。また、格子を構成する各梁の幅は約１０μｍである。そして、図示されていないが、縦横に並行する各梁の中心の間隔は、縦横とも約５０μｍである。この梁部１７０は、ステンレスのほか、チタン（Ｔｉ）、チタン合金で形成することができる。また、梁部１７０の形状および寸法は、水素分離膜１２０、電解質層１１０の材質および厚さ、ならびに水素分離膜１２０、電解質層１１０および梁部１４０の材質に応じて定めることができる。
【００４９】
このような構成を有する積層構造体１００ｅは、以下のようにして製造することができる。まず、第１実施例の積層構造体１００ａを製造する場合と同様にして、水素分離膜１２０を準備する。そして、スパッタリングにより水素分離膜１２０上に酸化タングステンを蒸着させ、絶縁層１６０を形成する。なお、絶縁層１６０の形成は、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
【００５０】
その後、あらかじめ形成しておいた梁部１７０を絶縁層１６０上に接合する。そして、梁部１７０にマスキングを行って、スパッタリングにより、梁部１７０の各梁で囲まれた部分に、梁部１７０の各梁と同じ厚みまでＢａＣｅＯ3系のセラミックを積層させる。なお、梁部１７０の各梁よりもやや厚くセラミックを積層させ、その後、積層させたセラミックの表面を研削して、梁部１７０の各梁の高さと同じにしてもよい。このようにして、梁部１７０の各梁で囲まれた電解質ブロック１１２を形成する。
【００５１】
その後、スパッタリングにより、各電解質ブロック１１２および梁部１７０の上に酸素極１３０を生成する。なお、酸素極１３０および電解質ブロック１１２（電解質層１１０）の形成は、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
【００５２】
第５実施例のような構成としても、積層構造体１００ｅの反りの変形量は梁部１７０によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００５３】
また、第５実施例においては、電解質層１１０が複数の電解質ブロック１１２に分割されて構成されている。このため、積層構造体１００ｅに反りが生じた場合にも、電解質層１１０全体にかかる力が一カ所に集中して、電解質層１１０に割れを生じさせてしまう可能性を低減することができる。
【００５４】
さらに、第５実施例の積層構造体１００ｅは、金属で形成される水素分離膜１２０と梁部１７０との間に絶縁層１６０を有している。このため、梁部１７０を金属で構成しても、酸素極１３０がその上に接して形成される梁部１７０と、水素極として機能する水素分離膜１２０との間で、短絡が生じることがない。
【００５５】
Ｆ．第６実施例：
図７は、第６実施例の積層構造体１００ｆの斜視図である。図７においては、梁部１８０および電解質ブロック１１２の形状を明らかに示すために、酸素極１３０を破線で示している。第６実施例の積層構造体１００ｆにおいては、各電解質ブロック１１２の間には、ステンレス合金製の梁部１７０（図６参照）に代えて、セラミック（Ａｌ2Ｏ3）製の梁部１８０が形成されている。この梁部１８０の各梁はＴ字状の断面を有しており、両側に張り出した部分１８２で、各梁の両側に位置する電解質ブロック１１２の表面を一部覆うような形状で形成されている。第６実施例の積層構造体１００ｆの他の点は、第５実施例の積層構造体１００ｅと同じである。
【００５６】
図７に示すように、梁部１８０は格子状に形成されている。格子を構成する各梁の中心の間隔は、縦横とも約１００μｍである。格子を構成する各梁は、電解質層１１０の各電解質ブロック１１２の間に形成されている第１の部分１８１と、電解質ブロック１１２の上側に位置し、隣り合う電解質ブロック１１２の間隔よりも幅が広い第２の部分１８２を有している。
【００５７】
第１の部分１８１の厚みは約４０μｍであり、幅は約２０μｍである。一方、第２の部分１８２の厚みは約３０μｍであり、幅は約４０μｍである。この梁部１８０は、セラミックのほか、チタン（Ｔｉ）や、チタン合金で形成することができる。また、梁部１８０の寸法および形状は、水素分離膜１２０、電解質層１１０の材質および厚さ、ならびに水素分離膜１２０、電解質層１１０および梁部１４０の材質に応じて定めることができる。
【００５８】
このような構成を有する積層構造体１００ｆは、以下のようにして製造することができる。まず、第５実施例の積層構造体１００ｅを製造する場合と同様にして、水素分離膜１２０および絶縁層１６０を形成する。そして、マスキングを行って、スパッタリングにより、電解質層１１０の各電解質ブロック１１２を形成する。
【００５９】
その後、各電解質ブロック１１２をマスクした上でセラミックを溶射して、各電解質ブロック１１２間にの梁部１８０の第１の部分１８１を形成する。その後、マスクを交換して、第１の部分１８１の上に、第１の部分１８１よりも幅が広い第２の部分１８２を形成する。その後、さらにマスクを交換して、スパッタリングにより、梁部１８０の第２の部分１８２と同じ厚さまで酸素極１３０を形成する。なお、梁部１８０の第２の部分１８２よりもやや厚くプラチナを積層させ、その後、積層させたプラチナの表面を研削して、第２の部分１８２の高さと同じにしてもよい。
【００６０】
第６実施例のような構成としても、積層構造体１００ｆの反りの変形量は梁部１８０によって抑制される。特に、第６実施例の梁部１８０は、幅が異なる第１の部分１８１と第２の部分１８２を有しているため、梁の断面全体が第２の部分１８２と同じ幅を有している態様に比べて、電解質ブロックの大きさを小さくすることなく、積層構造体１００ｆの反りの変形量を制限することができる。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００６１】
また、第６実施例においては、梁部１８０は、隣り合う電解質ブロック１１２の間隔よりも幅が広い第２の部分１８２が、電解質ブロック１１２の上側に位置するように形成されている。このため、電解質ブロック１１２にひびが入っても、電解質ブロック１１２の一部が梁部１８０の第２の部分１８２の張りだしによって押さえられるため、電解質層１１０が剥落しにくい。
【００６２】
Ｇ．第７実施例：
図８は、第７実施例の剛性向上部材１９０を示す平面図である。図８においては、剛性向上部材１９０とその下に位置する酸素極１３０とを区別しやすくするため、剛性向上部材１９０にハッチをつけて示している。第７実施例の積層構造体１００ｇは、梁部１４０（図１参照）に代えて、酸素極１３０上に剛性向上部材１９０を有している。第７実施例の積層構造体１００ｇの他の点は、第１実施例の積層構造体１００ａと同じである。
【００６３】
図８に示すように、剛性向上部材１９０は、斑状の穴１９１を有している。そして、その穴を通じて、酸素極１３０は酸素ガス流路２２に露出されている。このため、酸素ガス流路２２内を流通する酸素含有ガスは、電解質層１１０の表面と接触することができる。
【００６４】
第７実施例のような構成としても、積層構造体１００ｇの反りの変形量は剛性向上部材１９０によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層１１０にひびが入り、電解質層１１０および酸素極１３０が剥落してしまう可能性を低減することができる。
【００６５】
Ｈ．変形例：
（１）電解質層の変形量を低減する剛性向上部材は、第１、２、５および６実施例において、梁部１４０、１７０、１８０として設けられていた。しかし、剛性向上部材は、それらのような格子状の形状以外の任意の形状で形成することができる。たとえば第７実施例（図８参照）においては、剛性向上部材の穴１９１はほぼ円形であるが、剛性向上部材は、不定形の穴を有する態様で設けることもできる。
【００６６】
また、第６実施例においては、梁部１８０のすべての梁が、電解質ブロック１１２の間に形成されている第１の部分１８１と、電解質ブロック１１２の上側に位置し、電解質層１１０の各ブロックの間隔よりも幅が広い第２の部分１８２を有していた。しかし、一部の梁が第２の部分を有していない態様とすることもできる。さらに、梁の途中に、電解質ブロック１１２の間隔よりも幅が広い第２の部分を有している箇所と、第２の部分を有していない箇所と、を有する態様とすることもできる。
【００６７】
すなわち、剛性向上部材は、積層構造体中のいずれかの層である電解質層の一部を直接または間接に被覆するように形成される任意の形状とすることができる。なお、剛性向上部材が「間接に電解質層の一部を被覆する」とは、酸素極側から水素極側に向かう方向に沿って見た場合に、電解質層の一部が剛性向上部材によって被覆されているが、剛性向上部材と電解質層の間には他の層または構造が存在することを意味する。これに対し、剛性向上部材が「直接、電解質層の一部を被覆する」とは、酸素極側から水素極側に向かって見た場合に、電解質層の一部が剛性向上部材によって被覆されており、剛性向上部材は電解質層の上に形成されていることを意味する。
【００６８】
なお、剛性向上部材は複数の部材で設けられていてもよい。ただし、電解質層１１０が複数の電解質ブロック１１２で構成される態様においては、剛性向上部材は、３個以上の電解質ブロック１１２と隣接する一体の構成で形成されることが好ましい。また、各種態様において、剛性向上部材は、積層構造体中において一体で形成されることがさらに好ましい。
【００６９】
また、積層構造体は、複数種類の態様の剛性向上部材を備えていてもよい。たとえば、積層構造体は、第１実施例に示した梁部１４０と、第３実施例に示した強化層１５０と、をともに備える態様とすることもできる。そして、積層構造体は、それらの剛性向上部材に加えて、さらに、剛性向上部材として繊維状の物質（たとえば第４実施例に示したガラス繊維１１１）を、いずれかの層内に備える態様とすることもできる。
【００７０】
（２）第４実施例においては、剛性向上部材は、繊維状の物質（ガラス繊維１１１）として電解質層１１０内に形成されていた。しかし、剛性向上部材は、水素分離膜１２０内に設けるなど、積層構造体内の電解質層１１０以外の他の層内に配された繊維状物質として設けることもできる。
【００７１】
（３）上記各実施例においては、水素分離膜１２０が水素極としての機能も果たしていた。しかし、水素分離膜１２０とは別に水素極を有する態様とすることができる。そのような態様においては、たとえば、水素分離膜１２０をバナジウムで形成し、水素分離膜１２０と燃料ガス流路３２との間に形成される水素極をパラジウムで形成することが好ましい。すなわち、水素極は、水素を透過し、電解質層よりも酸化しにくい金属で形成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１実施例の燃料電池に使用される積層構造体１００ａを示す断面図。
【図２】積層構造体１００ａの一部を示す斜視図。
【図３】第２実施例の積層構造体１００ｂの斜視図。
【図４】第３実施例の積層構造体１００ｃの斜視図。
【図５】第４実施例の積層構造体１００ｄの斜視図。
【図６】第５実施例の積層構造体１００ｅの斜視図。
【図７】第６実施例の積層構造体１００ｆの斜視図。
【図８】第７実施例の剛性向上部材１９０を示す平面図。
【符号の説明】
【００７３】
２０…酸素流路部材
２１…溝部
２２…酸化ガス流路
３０…水素流路部材
３１…溝部
３２…燃料ガス流路
１００ａ〜ｇ…積層構造体
１１０…電解質層
１１０ｃ…電解質層のうちひびに囲まれた部分
１１１…ガラス繊維
１１２…ブロック
１１２…電解質ブロック
１２０…水素分離膜（水素極）
１２２…酸化防止部
１３０…酸素極
１３１…酸素極の表面であって梁部が形成されていない部分
１４０…梁部
１５０…強化層
１６０…絶縁層
１７０…梁部
１８０…梁部
１８１…第１の部分
１８２…第２の部分
１９０…剛性向上部材
１９１…穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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